Modélisation thermomécanique et analyse de la durabilité d'échangeurs thermiques à plaques soudées

Thermomechanical modelling and fracture analysis of Compabloc heat exchangers

• Auteur / Autrice : Mathieu Laurent
• Direction : Rafael Estevez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 14/01/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Sciences et Ingénieurie des Matériaux et des Procédés
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Damien Fabregue, Eric Ayax
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Coret, Veronique Favier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Échangeurs de chaleur

Éléments finis, Méthode des

Mots clés libres

Modélisation par éléments finis

Simulation thermomécanique

Endommagement - Mécanique de la rupture

Prédiction - Durabilité,Echanger thermique

Échangeurs thermiques

Comportement thermomécanique

Fatigue oligocyclique

FE modelling

Thermomechanical simulation

Damage and fracture mechanics

Prediction - Durability,Heat exchanger,

Welded heat exchangers

Thermomechanical description

Fatigue

Résumé

L’objectif de ce travail est de proposer une méthodologie simple pour évaluer l’intégrité et la durée de vie d’échangeurs thermiques soudés. Une approche à deux échelles est proposée. Une description macroscopique avec la prise en compte de la structure de l’échangeur est menée pour permettre des calculs thermoélastiques par éléments finis. La réponse mécanique de l’échangeur pour deschargements thermiques, cycliques, simples est évaluée. Notamment, les zones de concentration decontraintes sont repérées. A partir cette étude, une étude micromécanique du comportement dumatériau composant l’échangeur est menée. Le matériau considéré est un acier 316L. Soncomportement élastoplastique est identifié avec un écrouissage isotrope et cinématique. La tenuemécanique pour des chargements en fatigue oligocyclique est évaluée à l’aide d’un dispositif deflexion 4 points alternée et un critère de Manson-Coffin est identifié. Ce critère est utilisé pour évaluerle nombre de cycle admissible par l’échangeur pour une amplitude de chargement donnée. Pour cela,la déformation plastique attendue dans l’échangeur est évaluée à partir d’une équivalence en énergieaux endroits où la contrainte se concentre. Les prédictions du modèle ont été comparées de manièresatisfaisante avec les résultats expérimentaux menés sur un échangeur test, pour la réponsethermoélastique que pour l’évaluation du nombre de cycles à rupture.

This study proposes a simple methodology to estimate the mechanical response and lifetime of weldedheat exchangers subjected to thermal loadings. The structure of the heat exchanger is modeled toestimate its mechanical response for thermal loads. Thermoelastic calculations are carried out with thefinite elements method. From these simulations, the regions where the stress concentrates areidentified. Then, a micromechanics approach is adopted to identify the material’s elastic plasticresponse with isotropic and kinematic hardening. Its durability under oligocyclic fatigue isinvestigated with an original 4 points alternate bending.d vice. From these experiments, a Manson-Coffin criterion is identified. This criterion is used to estimate the heat exchangers lifetime in terms ofmaximum cycles for thermal loadings with different magnitude. To this end, the plastic deformation isestimated from the macroscopic calculation with an energy equivalence between the thermoelasticcalculation and the non linear one. The predictions are found in agreement with experimental datacarried out on test-heat exchangers, for both the thermoelastic response and the number at cycles atrupture.